液體動壓軸承實驗
一、實驗目的
該實驗台用於機械設計中液體動壓滑動軸承實驗。主要利用它來觀察滑動軸承的結構、測量其徑向油膜壓力分布、測定其摩擦特徵曲線。
1、觀察滑動軸承的動壓油膜形成過程與現象。
2、通過實驗，繪出滑動軸承的特性曲線。
3、了解摩擦係數、轉速等資料的測量方法。
4、通過實驗資料處理，繪製出滑動軸承徑向油膜壓力分布曲線與承載量曲線。
二、實驗系統組成
（一）實驗系統組成
圖1 滑動軸承實驗系統框圖
軸承實驗系統框圖如圖1所示，它由以下裝置組成：
1、zcs—i液體動壓軸承實驗台——軸承實驗台的機械結構
2、油壓表——共7個，用於測量軸瓦上徑向油膜壓力分布值
3、工作載荷感測器——為應變力感測器、測量外加載荷值
4、摩擦力矩感測器——為應變力感測器、測量在油膜粘力作用下軸與軸瓦間產生的磨擦力矩
5、轉速感測器——為霍爾磁電式感測器、測量主軸轉速
6、xc—i液體動壓軸承實驗儀——以單片微機為主體、完成對工作載荷感測器，磨擦力矩感測器及轉速感測器訊號採集，處理並將處理結果由led數碼管顯示出來。
（二） 軸承實驗台結構特點
實驗台結構如圖2所示
該試驗台主軸7由兩高精度的單列向心球軸承支承。直流電機1通過三角帶2傳動主軸7 ,主軸順時針轉動.主軸上裝有精密加工的軸瓦5由裝在底座上的無級調速器12實現主軸的無級變速，軸的轉速由裝在實驗台上的霍爾轉速感測器測出並顯示。
主軸瓦5外圓被載入裝置（末畫）壓住，旋轉載入杆即可方便地對軸瓦載入，載入力大小由工作載荷感測器6測出，由測試儀面板上顯示。
主軸瓦上還裝有測力杆l，在主軸迴轉過程中，主軸與主軸瓦之間的磨擦力矩由磨擦力矩感測器測出，並在測試儀面板上顯示，由此算出磨擦係數。
主軸瓦前端裝有7只測徑向壓力的油壓表4，油的進口在軸瓦的1/2處。由油壓表可讀出軸與軸瓦之間徑向平面內相應點的油膜壓力，由此可繪製出徑向油膜壓力分布曲線。
圖2 實驗台結構示意圖
1、直流電機2、三角帶
3、磨擦力矩感測器4、油壓表
5、軸瓦6、工作載荷感測器 7、主軸9、油槽
10、底座12、調速旋鈕
(三)液體動壓軸承實驗儀
圖3 軸承實驗儀正面圖
1、轉速顯示 2、工作載荷顯示 3、摩擦力矩顯示
4、摩擦力矩清零 5、電源開關
圖 4 軸承實驗儀背面圖
1、電源座2、摩擦力矩感測器輸入介面3、工作載荷感測器輸入介面 4、轉速感測器輸入介面
5、工作載荷感測器清零按鈕
如圖所示，實驗儀操作部分主要集中在儀器正面的面板上，在實驗儀的後面板上設有磨擦力矩輸入介面，載荷力輸入介面，轉速感測器輸入介面等。
實驗儀箱體內附設有微控制器，承擔檢測，資料處理，資訊記憶，自動數字顯示等功能。
三、實驗原理及測試內容
1、實驗原理
滑動軸承形成動壓潤滑油膜的過程如圖5（a）所示。當軸靜止時，軸承孔與軸頸直接接觸，如圖5（a）所示。徑向間隙△使軸頸與軸承的配合面之間形成楔形間隙，其間充滿潤滑油。
由於潤滑油具有粘性而附著於零件表面的特性，因而當軸頸迴轉時，依靠附著在軸頸上的油層帶動潤滑油擠入楔形間隙。因為通過楔形間隙的潤滑油質量不變（流體連續運動原理），而楔形中的間隙截面逐漸變小，潤滑油分子間相互擠壓，從而油層中必然產生流體動壓力，它力圖擠開配合面，達到支承外載荷的目的。當各種引數協調時，液體動壓力能保證軸的中心與軸瓦中心有一偏心距e。
最小油膜厚度nmin存在於軸頸與軸承孔的中心連線上。液體動壓力的分布如圖5（c）所示。
圖5 液體動壓潤滑膜形成的過程
液體動壓潤滑能否建立，通常用f-λ曲線來判別。圖6中f為軸頸與軸承之間的摩擦係數，λ為軸承特性係數，它與軸的轉速 n ，潤滑油動力粘度η、潤滑油壓強p之間的關係為：
為=ηn/p
式中，n為軸頸轉速；η為潤滑油動力粘度；p為單位面積載荷。
fr 即式中，p= l1d；nmm2 。fr是軸承承受的徑向載荷；d是軸承的孔徑，本實驗中， d= 70mm；l1是軸承有效工作長度，對本實驗軸承，取l1=125mm。
如圖6，當軸頸開始轉動時，速度極低，這時軸頸和軸承主要是金屬相接觸，產生的摩擦為金屬間的直接摩擦，摩擦阻力最大。隨著轉速的增大，軸頸表面的圓周速度增大，帶入油楔內的油量也逐漸加多，則金屬接觸面被潤滑油分隔開的面積也逐漸加大，因而摩擦阻力也就逐漸減小。
當速度增加到一定大小之後，已能帶入足夠把金屬接觸面分開的油量，油層內的壓力已建立到能支承軸頸上外載荷程度，軸承就開始按照液體摩擦狀態工作。此時，由於軸承內的摩擦阻力僅為液體的內阻力，故摩擦係數達到最小值，如圖6摩擦特性曲線上a點。
當軸頸轉速進一步加大時，軸頸表面的速度亦進一步增大，使油層間的相對速度增大，故液體的內摩擦也就增大，軸承的摩擦係數也隨之上公升。
圖6 摩擦特性曲線（stribeck曲線）
特性曲線上的a點是軸承由混合潤滑向流體潤滑轉變的臨界點。此點的摩擦係數最小，此點相對應的軸承特性係數稱為臨界特性係數，以λ。表示。
a點之右，即 λ＞λ。區域為流體潤滑狀態；a點之左，即λ＜λ。 區域稱為邊界潤滑狀態。
根據不同條件所測得的 f和λ之值，我們就可以作出 f-λ曲線，用以判別軸承的潤滑狀態，能否實現在流體潤滑狀態下工作。
2、油膜壓力測試實驗
（1）理論計算壓力
圖 7為軸承工作時軸頸的位置。
根據流體動力潤滑的雷諾方程，從油膜起始角1 到任意角的壓力為：
p=61-1）
式中：p ——任意位置的壓力單位：pa
η ——油膜粘度
ω ——主軸轉速單位：rad/s
——相對間隙 =
其中d為軸承孔直徑， d為軸徑直徑
——油壓任意角單位：度
0——最大壓力處極角單位：度
1——油膜起始角單位：度
——偏心率
其中e為偏心距
在雷諾公式中，油膜起始角1、最大壓力處極角0由實驗台實驗測試得到。另一變化引數：偏心率的變化情況，它由查表得到。具體方法如下：
對有限寬軸承，油膜的總承載能力為：
f1-2）
式中：f——承載能力，即外加載荷單位：n
b——軸承寬度單位：mm
cp——承載量係數，見表1
圖7 徑向滑動軸承的油壓分布
由公式（1-2）可推出：
cp1-3）
由公式（1-3）計算得承載量係數cp後再查表可得到在不同轉速、不同外加載荷下的偏心率情況。
注：若所查的引數係數超出了表中所列的，可用插入值法進行推算。
（2）實際測量壓力
如前圖2所示，啟動電機，控制主軸轉速，並施加一定工作載荷，運轉一定時間後軸承中形成壓力油膜。圖中代號f1，f2，f3，f4，f5，f6，f7七個油壓表，用於測量並顯示軸瓦表面每隔22度角處的七點油膜壓力值。
根據測出的各實際壓力值，按一定比例繪製出油壓分布曲線作出油膜實際壓力分布曲線與理論分布曲線，比較兩者間的差異。
3、摩擦特性實驗
（1）理論摩擦係數
理論摩擦係數公式：
f = +0.551-4）
式中：f ——摩擦係數
p ——軸承平均壓力，p= 單位： pa
ε——隨軸承寬徑比而變化的係數，對於b/d<1的軸承，ε=（d/b）1.5；
當b/d≥1時，ε=1；
——相對間隙 =
由公式（1-4）可知理論摩擦係數 f 的大小與油膜粘度η、轉速ω和平均壓力p（也即外加載荷 f）有關。在使用同一種潤滑油的前提下，粘度η的變化與油膜溫度有關，由於不是在長時間工作的情況下，油膜溫度變化不大，因此在本實驗系統中暫時不考慮粘度因素。
（2） 測量摩擦係數
如圖 2 所示，在軸瓦中心引出一測力桿壓在力感測器2，用以測量軸承工作時的摩擦力矩，進而換算得摩擦係數值。對它們分析如圖8：
∑f* r = n*l1）
∑f=f*f2）
式中：∑f ——圓周上各切點摩擦力之和 ∑f=f1+f2+f3+f4+…
r ——圓周半徑
n ——壓力感測器測得的力
l ——力臂
f ——外加載荷力
f ——摩擦係數
所以實測摩擦係數公式：
f1-5）
4、軸承實驗中其他重要引數
在軸承實驗實驗中還有一些比較重要的引數概念，以下分別作一一介紹。
(1) 軸承的平均壓力 p （單位：mpa）
p= ≤ [p1-6）
式中： f ——外加載荷，n
b ——軸承寬度，mm
d ——軸徑直徑，mm
[p]——軸瓦材料許用壓力，mpa ，其值可查
(2) 軸承pv值（單位：mpa*m/s）
軸承的發熱量與其單位面積上的摩擦功耗fpv成正比（f是摩擦係數），限制pv值就是限制軸承的溫公升。
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